Molekylær genetik – en gren af genetik, der beskæftiger sig med studiet af arvelighed på molekylært niveau.
Nukleinsyrer. DNA replikation. Skabelonsyntesereaktioner
Nukleinsyrer (DNA, RNA) blev opdaget i 1868 af den schweiziske biokemiker I.F. Misher. Nukleinsyrer er lineære biopolymerer bestående af monomerer - nukleotider.
DNA - struktur og funktioner
Den kemiske struktur af DNA blev dechifreret i 1953 af den amerikanske biokemiker J. Watson og den engelske fysiker F. Crick.
Generel struktur af DNA. DNA-molekylet består af 2 kæder, der er snoet til en spiral (fig. 11) rundt om hinanden og om en fælles akse. DNA-molekyler kan indeholde fra 200 til 2x108 nukleotidpar. Langs DNA-helixen er nabonukleotider placeret i en afstand af 0,34 nm fra hinanden. En hel drejning af helixen inkluderer 10 basepar. Dens længde er 3,4 nm.
Ris. 11 . DNA strukturdiagram (dobbelt helix)
DNA-molekylets polymeritet. DNA-molekylet - bioploimer består af komplekse forbindelser - nukleotider.
Strukturen af et DNA-nukleotid. Et DNA-nukleotid består af 3 enheder: en af de nitrogenholdige baser (adenin, guanin, cytosin, thymin); deoxyribose (monosaccharid); phosphorsyrerest (fig. 12).
Der er 2 grupper af nitrogenholdige baser:
puriner - adenin (A), guanin (G), indeholdende to benzenringe;
pyrimidin - thymin (T), cytosin (C), indeholdende en benzenring.
DNA indeholder følgende typer nukleotider: adenin (A); guanin (G); cytosin (C); thymin (T). Navnene på nukleotider svarer til navnene på de nitrogenholdige baser, der udgør dem: adenin-nukleotid - den nitrogenholdige base adenin; guaninnukleotid nitrogenbase guanin; cytosin nukleotid nitrogenbase cytosin; thyminnukleotid nitrogenholdig base thymin.
Kombinerer to DNA-strenge til et molekyle
Nukleotiderne A, G, C og T i den ene kæde er forbundet med henholdsvis nukleotiderne T, C, G og A i den anden kæde hydrogenbindinger. To hydrogenbindinger dannes mellem A og T, og tre hydrogenbindinger dannes mellem G og C (A=T, G≡C).
Basepar (nukleotider) A – T og G – C kaldes komplementære, dvs. gensidigt korresponderende. Komplementaritet- dette er den kemiske og morfologiske overensstemmelse mellem nukleotider og hinanden i parrede DNA-kæder.
5 ’ 3 ’
1 2 3
3’ 5’
Ris. 12 Udsnit af DNA-dobbelthelixen. Nukleotidets struktur (1 – phosphorsyrerest; 2 – deoxyribose; 3 – nitrogenholdig base). Forbindelse af nukleotider ved hjælp af hydrogenbindinger.
Kæder i et DNA-molekyle antiparallel, det vil sige, at de er rettet i modsatte retninger, så 3'-enden af den ene kæde er placeret modsat 5'-enden af den anden kæde. Genetisk information i DNA er skrevet i retningen fra 5'-enden til 3'-enden. Denne streng kaldes sense-DNA,
fordi det er her generne er placeret. Den anden tråd - 3'-5' tjener som en standard for lagring af genetisk information.
Forholdet mellem antallet af forskellige baser i DNA blev etableret af E. Chargaff i 1949. Chargaff fandt ud af, at i DNA fra forskellige arter er mængden af adenin lig med mængden af thymin, og mængden af guanin er lig med mængden af cytosin.
E. Chargaffs regel:
i et DNA-molekyle er antallet af A (adenin) nukleotider altid lig med antallet af T (thymin) nukleotider eller forholdet mellem ∑ A og ∑ T = 1. Summen af G (guanin) nukleotider er lig med summen af C (cytosin) nukleotider eller forholdet mellem ∑ G og ∑ C = 1;
summen af purinbaser (A+G) er lig med summen af pyrimidinbaser (T+C) eller forholdet mellem ∑ (A+G) og ∑ (T+C)=1;
Metode til DNA-syntese - replikation. Replikation er processen med selvduplikation af et DNA-molekyle, udført i kernen under kontrol af enzymer. Selvtilfredsstillelse af DNA-molekylet forekommer baseret på komplementaritet– streng overensstemmelse mellem nukleotider og hinanden i parrede DNA-kæder. I begyndelsen af replikationsprocessen afvikles DNA-molekylet (despiraler) i et bestemt område (fig. 13), og hydrogenbindinger frigives. På hver af kæderne dannet efter brud på hydrogenbindinger, med deltagelse af enzymet DNA-polymeraser datterstrengen af DNA syntetiseres. Materialet til syntese er frie nukleotider indeholdt i cellers cytoplasma. Disse nukleotider er tilpasset komplementært til nukleotiderne i de to moder-DNA-strenge. DNA polymerase enzym binder komplementære nukleotider til DNA-templatestrengen. For eksempel til et nukleotid EN polymerase tilføjer et nukleotid til skabelonstrengen T og følgelig nukleotid G - nukleotid C (fig. 14). Tværbinding af komplementære nukleotider sker ved hjælp af et enzym DNA-ligaser. Således syntetiseres to datterstrenge af DNA ved selvduplikation.
De resulterende to DNA-molekyler fra et DNA-molekyle er semi-konservativ model, da de består af en gammel mor og en ny datterkæde og er en nøjagtig kopi af modermolekylet (fig. 14). Den biologiske betydning af replikation ligger i den nøjagtige overførsel af arvelig information fra modermolekylet til dattermolekylet.
Ris. 13 . Unspiralisering af et DNA-molekyle ved hjælp af et enzym
1
Ris. 14 . Replikation er dannelsen af to DNA-molekyler fra ét DNA-molekyle: 1 – datter-DNA-molekyle; 2 – moderens (forældre) DNA-molekyle.
DNA-polymerase-enzymet kan kun bevæge sig langs DNA-strengen i 3' -> 5'-retningen. Da de komplementære kæder i et DNA-molekyle er rettet i modsatte retninger, og DNA-polymerase-enzymet kun kan bevæge sig langs DNA-kæden i 3'->5'-retningen, forløber syntesen af nye kæder antiparallel ( efter princippet om antiparallelisme).
DNA-lokaliseringssted. DNA findes i cellekernen og i matrixen af mitokondrier og kloroplaster.
Mængden af DNA i en celle er konstant og udgør 6,6x10 -12 g.
Funktioner af DNA:
Lagring og transmission af genetisk information over generationer til molekyler og - RNA;
Strukturel. DNA er det strukturelle grundlag for kromosomer (et kromosom er 40% DNA).
Artsspecificitet af DNA. Nukleotidsammensætningen af DNA tjener som et artskriterium.
RNA, struktur og funktioner.
Generel struktur.
RNA er en lineær biopolymer bestående af én polynukleotidkæde. Der er primære og sekundære strukturer af RNA. Den primære struktur af RNA er et enkeltstrenget molekyle, og den sekundære struktur har form som et kryds og er karakteristisk for t-RNA.
Polymeritet af RNA-molekylet. Et RNA-molekyle kan indeholde fra 70 nukleotider til 30.000 nukleotider. Nukleotiderne, der udgør RNA, er følgende: adenyl (A), guanyl (G), cytidyl (C), uracil (U). I RNA er thyminnukleotidet erstattet af uracil (U).
Struktur af RNA-nukleotid.
RNA-nukleotidet omfatter 3 enheder:
nitrogenholdig base (adenin, guanin, cytosin, uracil);
monosaccharid - ribose (ribose indeholder oxygen ved hvert kulstofatom);
phosphorsyrerest.
Metode til RNA-syntese - transkription. Transkription er ligesom replikation en reaktion af skabelonsyntese. Matrixen er DNA-molekylet. Reaktionen forløber ifølge princippet om komplementaritet på en af DNA-strengene (fig. 15). Transkriptionsprocessen begynder med despiralisering af DNA-molekylet på et specifikt sted. Den transskriberede DNA-streng indeholder promotor - en gruppe af DNA-nukleotider, hvorfra syntesen af et RNA-molekyle begynder. Et enzym binder sig til promotoren RNA polymerase. Enzymet aktiverer transkriptionsprocessen. Ifølge komplementaritetsprincippet færdiggøres nukleotider, der kommer fra cellecytoplasmaet til den transskriberede DNA-kæde. RNA-polymerase aktiverer justeringen af nukleotider i én kæde og dannelsen af et RNA-molekyle.
Der er fire stadier i transkriptionsprocessen: 1) binding af RNA-polymerase til promotoren; 2) begyndelsen af syntese (initiering); 3) forlængelse – vækst af RNA-kæden, det vil sige nukleotider tilføjes sekventielt til hinanden; 4) terminering – færdiggørelse af mRNA-syntese.
Ris. 15 . Transskriptionsskema
1 - DNA-molekyle (dobbeltstreng); 2 – RNA-molekyle; 3-kodoner; 4 – promotor.
I 1972, amerikanske videnskabsmænd - virolog H.M. Temin og molekylærbiolog D. Baltimore opdagede omvendt transkription ved hjælp af vira i tumorceller. Omvendt transskription– omskrivning af genetisk information fra RNA til DNA. Processen sker ved hjælp af et enzym revers transkriptase.
Typer af RNA efter funktion
Messenger-RNA (i-RNA eller m-RNA) overfører genetisk information fra DNA-molekylet til stedet for proteinsyntese - ribosomet. Det syntetiseres i kernen med deltagelse af enzymet RNA-polymerase. Det udgør 5% af alle typer RNA i en celle. mRNA indeholder fra 300 nukleotider til 30.000 nukleotider (den længste kæde blandt RNA'er).
Transfer RNA (tRNA) transporterer aminosyrer til stedet for proteinsyntese, ribosomet. Den har form som et kryds (fig. 16) og består af 70-85 nukleotider. Dens mængde i cellen er 10-15 % af cellens RNA.
Ris. 16. Skema over strukturen af t-RNA: A–G – par af nukleotider forbundet med hydrogenbindinger; D – sted for aminosyrebinding (acceptorsted); E – antikodon.
3. Ribosomalt RNA (r-RNA) syntetiseres i nukleolus og er en del af ribosomer. Indeholder cirka 3000 nukleotider. Udgør 85 % af cellens RNA. Denne type RNA findes i kernen, i ribosomer, på det endoplasmatiske reticulum, i kromosomer, i mitokondriematrixen og også i plastider.
Grundlæggende om cytologi. Løsning af typiske problemer
Opgave 1
Hvor mange thymin- og adenin-nukleotider er der indeholdt i DNA, hvis der findes 50 cytosin-nukleotider i det, hvilket er 10 % af alle nukleotider.
Løsning. Ifølge reglen om komplementaritet i dobbeltstrengen af DNA er cytosin altid komplementær til guanin. 50 cytosin-nukleotider udgør 10%, derfor udgør 50 guanin-nukleotider ifølge Chargaffs regel også 10%, eller (hvis ∑C = 10%, så ∑G = 10%).
Summen af C + G nukleotidparret er 20 %
Summen af nukleotidpar T + A = 100 % – 20 % (C + G) = 80 %
For at finde ud af, hvor mange thymin- og adenin-nukleotider der er indeholdt i DNA, skal du lave følgende forhold:
50 cytosin nukleotider → 10 %
X (T + A) →80 %
X = 50x80:10=400 stykker
Ifølge Chargaffs regel er ∑A= ∑T, derfor ∑A=200 og ∑T=200.
Svar: antallet af thymin- og adenin-nukleotider i DNA er 200.
Opgave 2
Thyminukleotider i DNA udgør 18 % af det samlede antal nukleotider. Bestem procentdelen af andre typer nukleotider indeholdt i DNA.
Løsning.∑Т=18 %. Ifølge Chargaffs regel ∑T=∑A udgør andelen af adenin-nukleotider derfor også 18% (∑A=18%).
Summen af T+A-nukleotidparret er 36 % (18 % + 18 % = 36 %). Per par GiC-nukleotider er der: G+C = 100% –36% = 64%. Da guanin altid er komplementært til cytosin, vil deres indhold i DNA være det samme,
dvs. ∑ Г= ∑Ц=32%.
Svar: guaninindhold, ligesom cytosin, er 32%.
Opgave 3
De 20 cytosin-nukleotider i DNA udgør 10 % af det samlede antal nukleotider. Hvor mange adenin-nukleotider er der i et DNA-molekyle?
Løsning. I en dobbeltstreng af DNA er mængden af cytosin lig med mængden af guanin, derfor er deres sum: C + G = 40 nukleotider. Find det samlede antal nukleotider:
20 cytosin nukleotider → 10 %
X (samlet antal nukleotider) →100 %
X=20x100:10=200 stykker
A+T=200 – 40=160 stk
Da adenin er komplementært til thymin, vil deres indhold være det samme,
dvs. 160 stykker: 2=80 stykker, eller ∑A=∑T=80.
Svar: Der er 80 adenin-nukleotider i et DNA-molekyle.
Opgave 4
Tilføj nukleotiderne i den højre DNA-kæde, hvis nukleotiderne i dens venstre kæde er kendt: AGA – TAT – GTG – TCT
Løsning. Konstruktionen af den højre DNA-streng langs en given venstre streng udføres i overensstemmelse med princippet om komplementaritet - streng korrespondance af nukleotider til hinanden: adenon - thymin (A-T), guanin - cytosin (G-C). Derfor bør nukleotiderne i den højre DNA-streng være som følger: TCT - ATA - CAC - AGA.
Svar: nukleotider af den højre DNA-streng: TCT – ATA – TsAC – AGA.
Opgave 5
Skriv transkriptionen ned, hvis den transskriberede DNA-kæde har følgende nukleotidrækkefølge: AGA - TAT - TGT - TCT.
Løsning. mRNA-molekylet syntetiseres efter komplementaritetsprincippet på en af DNA-molekylets kæder. Vi kender rækkefølgen af nukleotider i den transskriberede DNA-kæde. Derfor er det nødvendigt at bygge en komplementær kæde af mRNA. Det skal huskes, at i stedet for thymin indeholder RNA-molekylet uracil. Derfor:
DNA-kæde: AGA – TAT – TGT – TCT
mRNA-kæde: UCU – AUA – ACA – AGA.
Svar: nukleotidsekvensen af i-RNA er som følger: UCU – AUA – ACA – AGA.
Opgave 6
Skriv den omvendte transkription ned, dvs. konstruer et fragment af et dobbeltstrenget DNA-molekyle baseret på det foreslåede fragment af i-RNA, hvis i-RNA-kæden har følgende nukleotidsekvens:
GCG – ACA – UUU – UCG – TsGU – AGU – AGA
Løsning. Omvendt transkription er syntesen af et DNA-molekyle baseret på den genetiske kode af mRNA. Det mRNA, der koder for DNA-molekylet, har følgende nukleotidrækkefølge: GCH - ACA - UUU - UCG - TsGU - AGU - AGA. DNA-kæden komplementær til den er: CGC – TGT – AAA – AGC – GCA – TCA – TCT. Anden DNA-streng: HCH–ACA–TTT–TCG–CHT–AGT–AGA.
Svar: som et resultat af revers transkription blev to kæder af DNA-molekylet syntetiseret: CGC - TTG - AAA - AGC - GCA - TCA og GCH - ACA - TTT - TCG - CGT - AGT - AGA.
Genetisk kode. Protein biosyntese.
Gene– et afsnit af et DNA-molekyle, der indeholder genetisk information om den primære struktur af et specifikt protein.
Exon-intron struktur af geneteukaryoter
promotor– en del af DNA (op til 100 nukleotider lang), som enzymet binder sig til RNA polymerase, nødvendig for transskription;
2) reguleringszone– zone, der påvirker genaktivitet;
3) strukturel del af et gen– genetisk information om proteinets primære struktur.
En sekvens af DNA-nukleotider, der bærer genetisk information om den primære struktur af et protein - exon. De er også en del af mRNA. En sekvens af DNA-nukleotider, der ikke bærer genetisk information om den primære struktur af et protein – intron. De er ikke en del af mRNA. Under transkriptionen skæres kopier af introner ud fra i-RNA ved hjælp af specielle enzymer, og kopier af exoner sys sammen til et i-RNA-molekyle (fig. 20). Denne proces kaldes splejsning.
Ris. 20 . Splejsningsmønster (dannelse af modent mRNA i eukaryoter)
Genetisk kode - et system af nukleotidsekvenser i et DNA- eller RNA-molekyle, der svarer til sekvensen af aminosyrer i en polypeptidkæde.
Egenskaber for den genetiske kode:
Trefoldighed(ACA – GTG – GCH...)
Den genetiske kode er trilling, da hver af de 20 aminosyrer er kodet af en sekvens af tre nukleotider ( trilling, kodon).
Der er 64 typer nukleotidtripletter (4 3 = 64).
Unikitet (specificitet)
Den genetiske kode er utvetydig pga hver enkelt nukleotidtriplet (kodon) koder kun for én aminosyre, eller én kodon svarer altid til én aminosyre (tabel 3).
Multiplikitet (redundans eller degeneration)
Den samme aminosyre kan kodes af flere tripletter (fra 2 til 6), da der er 20 proteindannende aminosyrer og 64 tripletter.
Kontinuitet
Aflæsning af genetisk information sker i én retning, fra venstre mod højre. Hvis et nukleotid går tabt, vil dets plads, når det læses, blive overtaget af det nærmeste nukleotid fra nabotripletten, hvilket vil føre til en ændring i genetisk information.
Alsidighed
Den genetiske kode er fælles for alle levende organismer, og de samme tripletter koder for den samme aminosyre i alle levende organismer.
Har start- og terminaltripletter(starttriplet - AUG, terminaltripletter UAA, UGA, UAG). Disse typer tripletter koder ikke for aminosyrer.
Ikke-overlappende (diskrethed)
Den genetiske kode er ikke-overlappende, da det samme nukleotid ikke samtidigt kan være en del af to nabotripletter. Nukleotider kan kun tilhøre én triplet, og hvis de omarrangeres til en anden triplet, vil den genetiske information ændre sig.
Tabel 3 – Genetisk kodetabel
|
Codon baser |
|||||
Bemærk: forkortede navne på aminosyrer er angivet i overensstemmelse med international terminologi.
Proteinbiosyntese
Proteinbiosyntese - type plastikudveksling stoffer i cellen, der forekommer i levende organismer under påvirkning af enzymer. Proteinbiosyntese er forudgået af matrixsyntesereaktioner (replikation - DNA-syntese; transkription - RNA-syntese; translation - samling af proteinmolekyler på ribosomer). Der er 2 trin i processen med proteinbiosyntese:
transskription
udsende
Under transskription overføres den genetiske information indeholdt i DNA'et i kernens kromosomer til et RNA-molekyle. Efter afslutning af transkriptionsprocessen kommer mRNA ind i cellecytoplasmaet gennem porer i kernemembranen, er placeret mellem de 2 ribosomale underenheder og deltager i proteinbiosyntesen.
Translation er processen med at oversætte den genetiske kode til en sekvens af aminosyrer. Translation sker i cellens cytoplasma på ribosomer, som er placeret på overfladen af ER (endoplasmatisk reticulum). Ribosomer er sfæriske granula med en gennemsnitlig diameter på 20 nm, bestående af store og små underenheder. mRNA-molekylet er placeret mellem to ribosomale underenheder. Translationsprocessen involverer aminosyrer, ATP, mRNA, t-RNA og enzymet amino-acyl t-RNA syntetase.
Codon- en sektion af et DNA-molekyle eller mRNA, der består af tre sekventielt placerede nukleotider, der koder for én aminosyre.
Anticodon– et snit af et t-RNA-molekyle, bestående af tre på hinanden følgende nukleotider og komplementært til i-RNA-molekylets kodon. Kodonerne er komplementære til de tilsvarende antikodoner og er forbundet til dem ved hjælp af hydrogenbindinger (fig. 21).
Proteinsyntese begynder med startkodon AUG. Fra det ribosomet
bevæger sig langs mRNA-molekylet, triplet for triplet. Aminosyrer leveres i henhold til den genetiske kode. Deres integration i polypeptidkæden på ribosomet sker ved hjælp af t-RNA. Den primære struktur af t-RNA (kæde) omdannes til en sekundær struktur, der ligner et kryds i form, og samtidig opretholdes nukleotidernes komplementaritet i den. I bunden af tRNA'et er der et acceptorsted, hvortil aminosyren er knyttet (fig. 16). Aktivering af aminosyrer udføres ved hjælp af et enzym aminoacyl tRNA syntetase. Essensen af denne proces er, at dette enzym interagerer med aminosyre og ATP. I dette tilfælde dannes et ternært kompleks, repræsenteret af dette enzym, en aminosyre og ATP. Aminosyren beriges med energi, aktiveres og får evnen til at danne peptidbindinger med en tilstødende aminosyre. Uden processen med aminosyreaktivering kan en polypeptidkæde fra aminosyrer ikke dannes.
Den modsatte, øvre del af tRNA-molekylet indeholder en triplet af nukleotider antikodon, ved hjælp af hvilket tRNA er knyttet til dets komplementære kodon (fig. 22).
Det første t-RNA-molekyle, med en aktiveret aminosyre knyttet til sig, binder sit anticodon til i-RNA-kodonet, og en aminosyre ender i ribosomet. Derefter bindes det andet tRNA med dets anticodon til det tilsvarende kodon af mRNA'et. I dette tilfælde indeholder ribosomet allerede 2 aminosyrer, mellem hvilke der dannes en peptidbinding. Det første tRNA forlader ribosomet, så snart det donerer en aminosyre til polypeptidkæden på ribosomet. Derefter tilsættes den 3. aminosyre til dipeptidet, den bringes af det tredje tRNA osv. Proteinsyntese stopper ved et af de terminale kodoner - UAA, UAG, UGA (Fig. 23).
1 - mRNA-kodon; kodonerUCGUCG; CUACUA; CGU -Central State University;
2- tRNA-antikodon; antikodon GAT - GAT
Ris. 21 . Translationsfase: mRNA-kodonet tiltrækkes af tRNA-antikodonet af de tilsvarende komplementære nukleotider (baser)
Nukleinsyrer er højmolekylære stoffer bestående af mononukleotider, som er forbundet med hinanden i en polymerkæde ved hjælp af 3", 5" phosphodiesterbindinger og er pakket i celler på en bestemt måde.
Nukleinsyrer er biopolymerer af to typer: ribonukleinsyre (RNA) og deoxyribonukleinsyre (DNA). Hver biopolymer består af nukleotider, der adskiller sig i kulhydratresterne (ribose, deoxyribose) og en af de nitrogenholdige baser (uracil, thymin). Ifølge disse forskelle fik nukleinsyrer deres navn.
Struktur af deoxyribonukleinsyre
Nukleinsyrer har en primær, sekundær og tertiær struktur.
Primær struktur af DNA
Den primære struktur af DNA er en lineær polynukleotidkæde, hvor mononukleotider er forbundet med 3", 5" phosphodiesterbindinger. Udgangsmaterialet for samlingen af en nukleinsyrekæde i en celle er 5"-trifosfatnukleosidet, som, som et resultat af fjernelse af β og y fosforsyrerester, er i stand til at binde 3" carbonatomet af et andet nukleosid . Således er 3" carbonatomet i en deoxyribose kovalent bundet til 5" carbonatomet af en anden deoxyribose gennem en enkelt phosphorsyrerest og danner en lineær polynukleotidkæde af nukleinsyre. Deraf navnet: 3", 5" fosfodiesterbindinger. Nitrogenbaser deltager ikke i at forbinde nukleotider i én kæde (fig. 1.).
En sådan forbindelse, mellem phosphorsyremolekylresten i et nukleotid og kulhydratet i et andet, fører til dannelsen af et pentose-phosphatskelet af polynukleotidmolekylet, hvorpå nitrogenholdige baser er bundet til siden efter hinanden. Deres sekvens af arrangement i kæderne af nukleinsyremolekyler er strengt specifik for cellerne fra forskellige organismer, dvs. har en bestemt karakter (Chargaffs regel).
En lineær DNA-kæde, hvis længde afhænger af antallet af nukleotider, der indgår i kæden, har to ender: den ene kaldes 3"-enden og indeholder en fri hydroxyl, og den anden kaldes 5"-enden og indeholder en fosforsyre. syrerest. Kredsløbet er polært og kan have en retning på 5"->3" og 3"->5". Undtagelsen er cirkulært DNA.
Den genetiske "tekst" af DNA er sammensat af kode "ord" - tripletter af nukleotider kaldet kodoner. Udsnit af DNA, der indeholder information om den primære struktur af alle typer RNA, kaldes strukturelle gener.
Polynukleotid-DNA-kæder når gigantiske størrelser, så de pakkes på en bestemt måde i cellen.
Mens han studerede sammensætningen af DNA, etablerede Chargaff (1949) vigtige mønstre med hensyn til indholdet af individuelle DNA-baser. De hjalp med at afsløre den sekundære struktur af DNA. Disse mønstre kaldes Chargaffs regler. Chargaff regler
Disse regler indikerer, at der ved konstruktion af DNA skal overholdes en ret streng overensstemmelse (parring), ikke af purin- og pyrimidinbaser generelt, men specifikt af thymin med adenin og cytosin med guanin. Baseret på disse regler foreslog Watson og Crick i 1953 en model af den sekundære struktur af DNA, kaldet den dobbelte helix (fig.). |
Sekundær struktur af DNA
Den sekundære struktur af DNA er en dobbelt helix, hvis model blev foreslået af D. Watson og F. Crick i 1953.
Forudsætninger for at lave en DNA-model
Som et resultat af indledende analyser blev det antaget, at DNA af enhver oprindelse indeholder alle fire nukleotider i lige store molære mængder. Men i 1940'erne viste E. Chargaff og hans kolleger, som et resultat af analyse af DNA isoleret fra en række forskellige organismer, klart, at de indeholdt nitrogenholdige baser i forskellige kvantitative forhold. Chargaff fandt ud af, at selvom disse forhold er de samme for DNA fra alle celler fra den samme organismeart, kan DNA fra forskellige arter afvige markant i indholdet af visse nukleotider. Dette antydede, at forskellene i forholdet mellem nitrogenholdige baser kan være forbundet med en form for biologisk kode. Selvom forholdet mellem individuelle purin- og pyrimidinbaser i forskellige DNA-prøver viste sig at være forskelligt, viste der sig et vist mønster ved sammenligning af testresultaterne: i alle prøver var det samlede antal puriner lig med det samlede antal pyrimidiner (A + G = T + C), mængden af adenin var lig med mængden af thymin (A = T), og mængden af guanin er mængden af cytosin (G = C). DNA isoleret fra pattedyrsceller var generelt rigere på adenin og thymin og relativt fattigere på guanin og cytosin, hvorimod DNA fra bakterier var rigere på guanin og cytosin og relativt fattigere på adenin og thymin. Disse data udgjorde en vigtig del af det faktuelle materiale, som Watson-Crick-modellen af DNA-struktur senere blev bygget på grundlag af.
En anden vigtig indirekte indikation af den mulige struktur af DNA blev leveret af L. Paulings data om strukturen af proteinmolekyler. Pauling viste, at flere forskellige stabile konfigurationer af aminosyrekæden i et proteinmolekyle er mulige. En almindelig peptidkædekonfiguration, a-helixen, er en regulær spiralstruktur. Med denne struktur er dannelsen af hydrogenbindinger mellem aminosyrer placeret på tilstødende vindinger af kæden mulig. Pauling beskrev den a-spiralformede konfiguration af polypeptidkæden i 1950 og foreslog, at DNA-molekyler sandsynligvis har en spiralformet struktur, der holdes på plads af hydrogenbindinger.
Imidlertid blev den mest værdifulde information om strukturen af DNA-molekylet leveret af resultaterne af røntgendiffraktionsanalyse. Røntgenstråler, der passerer gennem en DNA-krystal, gennemgår diffraktion, det vil sige, at de afbøjes i bestemte retninger. Graden og arten af afbøjningen af strålerne afhænger af selve molekylernes struktur. Et røntgendiffraktionsmønster (fig. 3) giver det erfarne øje en række indirekte indikationer vedrørende strukturen af molekylerne i det undersøgte stof. Analyse af røntgendiffraktionsmønstre af DNA førte til den konklusion, at de nitrogenholdige baser (som har en flad form) er arrangeret som en stak plader. Røntgendiffraktionsmønstre afslørede tre hovedperioder i strukturen af krystallinsk DNA: 0,34, 2 og 3,4 nm.
Watson-Crick DNA-model
Baseret på Chargaffs analytiske data, Wilkins' røntgenmønstre og forskning fra kemikere, der gav information om de præcise afstande mellem atomer i et molekyle, vinklerne mellem et givet atoms bindinger og størrelsen af atomerne, Watson og Crick begyndte at bygge fysiske modeller af DNA-molekylets individuelle komponenter i en bestemt skala og "tilpasse" dem til hinanden på en sådan måde, at det resulterende system svarer til forskellige eksperimentelle data [at vise] .
Det var endnu tidligere kendt, at tilstødende nukleotider i en DNA-kæde er forbundet med phosphodiester-broer, der forbinder 5"-carbon-deoxyribose-atomet i et nukleotid med 3"-carbon-deoxyribose-atomet i det næste nukleotid. Watson og Crick var ikke i tvivl om, at perioden på 0,34 nm svarer til afstanden mellem successive nukleotider i DNA-kæden. Yderligere kunne det antages, at perioden på 2 nm svarer til kædens tykkelse. Og for at forklare, hvilken reel struktur perioden på 3,4 nm svarer til, foreslog Watson og Crick, såvel som Pauling tidligere, at kæden er snoet i form af en spiral (eller mere præcist danner en spirallinje, da en spiral i disse ords strenge betydning opnås, når spolerne danner en konisk snarere end cylindrisk overflade i rummet). Så vil en periode på 3,4 nm svare til afstanden mellem på hinanden følgende drejninger af denne helix. En sådan spiral kan være meget tæt eller noget strakt, det vil sige, at dens sving kan være flad eller stejl. Da perioden på 3,4 nm er nøjagtig 10 gange afstanden mellem successive nukleotider (0,34 nm), er det klart, at hver hel drejning af helixen indeholder 10 nukleotider. Ud fra disse data var Watson og Crick i stand til at beregne tætheden af en polynukleotidkæde snoet til en helix med en diameter på 2 nm, med en afstand mellem vindingerne på 3,4 nm. Det viste sig, at sådan en kæde ville have en tæthed, der var det halve af den faktiske tæthed af DNA, som allerede var kendt. Jeg måtte gå ud fra, at DNA-molekylet består af to kæder – at det er en dobbelt helix af nukleotider.
Den næste opgave var naturligvis at afklare de rumlige forhold mellem de to kæder, der danner den dobbelte helix. Efter at have prøvet en række muligheder for arrangement af kæder på deres fysiske model, fandt Watson og Crick ud af, at alle de tilgængelige data bedst matchede den mulighed, hvor to polynukleotidhelixer går i modsatte retninger; i dette tilfælde danner kæder bestående af sukker- og fosfatrester overfladen af den dobbelte helix, og puriner og pyrimidiner er placeret indeni. Baserne placeret overfor hinanden, tilhørende to kæder, er parvis forbundet med hydrogenbindinger; Det er disse brintbindinger, der holder kæderne sammen, og dermed fikserer den overordnede konfiguration af molekylet.
Den dobbelte helix af DNA kan forestilles som en rebstige, der er snoet på en spiralformet måde, så dens trin forbliver vandret. Så vil de to langsgående reb svare til kæder af sukker- og fosfatrester, og tværstængerne vil svare til par af nitrogenholdige baser forbundet med hydrogenbindinger.
Som et resultat af yderligere undersøgelse af mulige modeller konkluderede Watson og Crick, at hver "tværstang" skulle bestå af en purin og en pyrimidin; ved en periode på 2 nm (svarende til diameteren af den dobbelte helix), ville der ikke være plads nok til to puriner, og de to pyrimidiner kunne ikke være tæt nok på hinanden til at danne ordentlige hydrogenbindinger. En dybdegående undersøgelse af den detaljerede model viste, at adenin og cytosin, mens de danner en kombination af en passende størrelse, stadig ikke kunne placeres på en sådan måde, at der ville dannes hydrogenbindinger mellem dem. Lignende rapporter tvang udelukkelsen af kombinationen guanin - thymin, mens kombinationerne adenin - thymin og guanin - cytosin viste sig at være ganske acceptable. Naturen af hydrogenbindinger er sådan, at adenin danner et par med thymin og guanin med cytosin. Denne idé om specifik baseparring gjorde det muligt at forklare "Chargaff-reglen", ifølge hvilken mængden af adenin i ethvert DNA-molekyle altid er lig med indholdet af thymin, og mængden af guanin altid er lig med mængden af cytosin. To hydrogenbindinger dannes mellem adenin og thymin, og tre mellem guanin og cytosin. På grund af denne specificitet forårsager dannelsen af hydrogenbindinger mod hver adenin i den ene kæde, at thymin dannes på den anden; på samme måde kan kun cytosin være modsat hver guanin. Kæderne er således komplementære til hinanden, det vil sige, at sekvensen af nukleotider i en kæde entydigt bestemmer deres sekvens i den anden. De to kæder løber i modsatte retninger, og deres terminale fosfatgrupper er i hver sin ende af den dobbelte helix.
Som et resultat af deres forskning foreslog Watson og Crick i 1953 en model af DNA-molekylets struktur (fig. 3), som stadig er relevant i dag. Ifølge modellen består DNA-molekylet af to komplementære polynukleotidkæder. Hver DNA-streng er et polynukleotid, der består af flere titusinder af nukleotider. I den danner nabonukleotider en regulær pentose-phosphat-rygrad på grund af forbindelsen af en fosforsyrerest og deoxyribose ved en stærk kovalent binding. De nitrogenholdige baser i en polynukleotidkæde er arrangeret i en strengt defineret rækkefølge modsat de nitrogenholdige baser i den anden. Skiftet af nitrogenholdige baser i en polynukleotidkæde er uregelmæssig.
Arrangementet af nitrogenholdige baser i DNA-kæden er komplementært (fra det græske "komplement" - addition), dvs. Thymin (T) er altid imod adenin (A), og kun cytosin (C) er imod guanin (G). Dette forklares ved, at A og T, samt G og C, strengt taget svarer til hinanden, dvs. supplerer hinanden. Denne overensstemmelse er bestemt af den kemiske struktur af baserne, som tillader dannelsen af hydrogenbindinger i purin- og pyrimidinparret. Der er to forbindelser mellem A og T, og tre mellem G og C. Disse bindinger giver delvis stabilisering af DNA-molekylet i rummet. Stabiliteten af dobbelthelixen er direkte proportional med antallet af G≡C-bindinger, som er mere stabile sammenlignet med A=T-bindinger.
Den kendte sekvens for arrangement af nukleotider i én DNA-kæde gør det muligt, ifølge komplementaritetsprincippet, at etablere nukleotiderne i en anden kæde.
Derudover er det blevet fastslået, at nitrogenholdige baser med en aromatisk struktur i en vandig opløsning er placeret over hinanden og danner så at sige en stak mønter. Denne proces med at danne stakke af organiske molekyler kaldes stabling. Polynukleotidkæderne af DNA-molekylet i Watson-Crick-modellen, der er under overvejelse, har en lignende fysisk-kemisk tilstand, deres nitrogenholdige baser er arrangeret i form af en stak mønter, mellem de planer, hvoraf van der Waals-interaktioner (stabling-interaktioner) opstår.
Hydrogenbindinger mellem komplementære baser (horisontalt) og stablingsinteraktioner mellem planer af baser i en polynukleotidkæde på grund af van der Waals-kræfter (lodret) giver DNA-molekylet yderligere stabilisering i rummet.
Sukkerfosfatrygraden i begge kæder vender udad, og baserne vender indad mod hinanden. Retningen af kæderne i DNA er antiparallel (en af dem har en retning på 5"->3", den anden - 3"->5", dvs. 3"-enden af en kæde er placeret modsat 5"-enden af den anden.). Kæderne danner højrehåndede spiraler med en fælles akse. En drejning af helixen er 10 nukleotider, drejningens størrelse er 3,4 nm, højden af hvert nukleotid er 0,34 nm, diameteren af helixen er 2,0 nm. Som et resultat af rotationen af en streng omkring en anden dannes en større rille (ca. 20 Å i diameter) og en mindre rille (ca. 12 Å i diameter) af DNA-dobbelthelixen. Denne form for Watson-Crick-dobbelthelixen blev senere kaldt B-formen. I celler findes DNA normalt i B-formen, som er den mest stabile.
Funktioner af DNA
Den foreslåede model forklarede mange biologiske egenskaber ved deoxyribonukleinsyre, herunder lagring af genetisk information og mangfoldigheden af gener leveret af en lang række sekventielle kombinationer af 4 nukleotider og det faktum, at der findes en genetisk kode, evnen til at reproducere sig selv. og overføre genetisk information leveret af replikationsprocessen og implementeringen af genetisk information i form af proteiner, såvel som andre forbindelser dannet ved hjælp af enzymproteiner.
Grundlæggende funktioner af DNA.
- DNA er bæreren af genetisk information, som er sikret ved, at der findes en genetisk kode.
- Reproduktion og transmission af genetisk information på tværs af generationer af celler og organismer. Denne funktionalitet leveres af replikeringsprocessen.
- Implementering af genetisk information i form af proteiner, såvel som andre forbindelser dannet ved hjælp af enzymproteiner. Denne funktion leveres af processerne med transskription og oversættelse.
Organisationsformer for dobbeltstrenget DNA
DNA kan danne flere typer dobbeltspiraler (fig. 4). I øjeblikket er seks former allerede kendt (fra A til E og Z-form).
De strukturelle former for DNA, som Rosalind Franklin har fastslået, afhænger af nukleinsyremolekylets mætning med vand. I undersøgelser af DNA-fibre ved hjælp af røntgendiffraktionsanalyse blev det vist, at røntgenmønsteret radikalt afhænger af den relative fugtighed, i hvilken grad af vandmætning af denne fiber eksperimentet finder sted. Hvis fiberen var tilstrækkeligt mættet med vand, blev der taget et røntgenbillede. Ved tørring fremkom et helt andet røntgenmønster, meget forskelligt fra røntgenmønsteret for fiber med høj fugtighed.
DNA-molekyle med høj luftfugtighed kaldes B-form. Under fysiologiske forhold (lav saltkoncentration, høj grad af hydrering) er den dominerende strukturelle DNA-type B-formen (hovedformen af dobbeltstrenget DNA - Watson-Crick-modellen). Helix-stigningen for et sådant molekyle er 3,4 nm. Der er 10 komplementære par pr. tur i form af snoede stakke af "mønter" - nitrogenholdige baser. Stablerne holdes sammen af brintbindinger mellem to modstående "mønter" på stakkene og "vikles" af to bånd af phosphodiester-rygrad snoet til en højrehåndet helix. Planerne af de nitrogenholdige baser er vinkelrette på helixens akse. Tilstødende komplementære par roteres i forhold til hinanden med 36°. Diameteren af helixen er 20Å, hvor purin-nukleotidet optager 12Å og pyrimidin-nukleotidet 8Å.
DNA-molekylet med lavere luftfugtighed kaldes A-form. A-formen dannes under forhold med mindre høj hydrering og ved et højere indhold af Na + eller K + ioner. Denne bredere højrehåndede spiralformede konformation har 11 basepar pr. omgang. Nitrogenbasernes planer har en stærkere hældning til helixaksen de afviger fra normalen til helixaksen med 20°. Dette indebærer tilstedeværelsen af et indre hulrum med en diameter på 5Å. Afstanden mellem tilstødende nukleotider er 0,23 nm, længden af drejningen er 2,5 nm, og diameteren af helixen er 2,3 nm.
A-formen for DNA blev oprindeligt anset for at være mindre vigtig. Det blev dog senere klart, at A-formen af DNA ligesom B-formen har enorm biologisk betydning. RNA-DNA-helixen i template-primer-komplekset har A-formen såvel som RNA-RNA-helix- og RNA-hårnålestrukturerne (2'-hydroxylgruppen i ribose forhindrer RNA-molekyler i at danne B-formen). A-formen af DNA findes i sporer. Det er blevet fastslået, at A-formen af DNA er 10 gange mere modstandsdygtig over for UV-stråler end B-formen.
A-formen og B-formen kaldes de kanoniske former for DNA.
Formularer C-E også højrehåndet, kan deres dannelse kun observeres i specielle eksperimenter, og de eksisterer tilsyneladende ikke in vivo. C-formen af DNA har en struktur, der ligner B-DNA. Antallet af basepar pr. omdrejning er 9,33, længden af helix-drejningen er 3,1 nm. Basisparrene hælder i en vinkel på 8 grader i forhold til den vinkelrette position på aksen. Rillerne svarer i størrelse til rillerne i B-DNA. I dette tilfælde er hovedrillen noget mere lavvandet, og den mindre rille er dybere. Naturlige og syntetiske DNA-polynukleotider kan transformeres til C-formen.
| Tabel 1. Karakteristika for nogle typer af DNA-strukturer | |||
| Spiral type | EN | B | Z |
| Spiral stigning | 0,32 nm | 3,38 nm | 4,46 nm |
| Spiral twist | Højre | Højre | Venstre |
| Antal basepar pr. omgang | 11 | 10 | 12 |
| Afstand mellem basisplaner | 0,256 nm | 0,338 nm | 0,371 nm |
| Konformation af glykosidbinding | anti | anti | anti-C synge |
| Konformation af furanoseringen | C3"-endo | C2"-endo | C3"-endo-G C2"-endo-C |
| Rillebredde, lille/stor | 1,11/0,22 nm | 0,57/1,17 nm | 0,2/0,88 nm |
| Rilledybde, lille/stor | 0,26/1,30 nm | 0,82/0,85 nm | 1,38/0,37 nm |
| Spiral diameter | 2,3 nm | 2,0 nm | 1,8 nm |
Strukturelle elementer i DNA
(ikke-kanoniske DNA-strukturer)
De strukturelle elementer i DNA inkluderer usædvanlige strukturer begrænset af nogle specielle sekvenser:
|
Z-formet DNA blev opdaget i 1979, mens man studerede hexanukleotidet d(CG)3 -. Det blev opdaget af MIT-professor Alexander Rich og hans kolleger. Z-formen er blevet et af de vigtigste strukturelle elementer i DNA på grund af det faktum, at dens dannelse er blevet observeret i DNA-områder, hvor puriner veksler med pyrimidiner (f.eks. 5'-GCGCGC-3'), eller i gentagelser 5 '-CGCGCG-3' indeholdende methyleret cytosin. En væsentlig betingelse for dannelsen og stabiliseringen af Z-DNA var tilstedeværelsen af purin-nukleotider i det i syn-konformationen, alternerende med pyrimidinbaser i anti-konformationen.
Naturlige DNA-molekyler eksisterer hovedsageligt i den højrehåndede B-form, medmindre de indeholder sekvenser som (CG)n. Men hvis sådanne sekvenser er en del af DNA, så kan disse sektioner, når ionstyrken af opløsningen eller kationer, der neutraliserer den negative ladning på phosphodiester-strukturen ændres, kan disse sektioner transformeres til Z-formen, mens andre sektioner af DNA i kæden forbliver i den klassiske B-form. Muligheden for en sådan overgang indikerer, at de to strenge i DNA-dobbelthelixen er i en dynamisk tilstand og kan afvikles i forhold til hinanden, idet de bevæger sig fra den højrehåndede form til den venstrehåndede og omvendt. De biologiske konsekvenser af en sådan labilitet, som tillader konformationelle transformationer af DNA-strukturen, er endnu ikke fuldt ud forstået. Det menes, at sektioner af Z-DNA spiller en vis rolle i reguleringen af ekspressionen af visse gener og deltager i genetisk rekombination.
Z-formen af DNA er en venstrehåndet dobbelthelix, hvor phosphodiester-rygraden er placeret i et zigzag-mønster langs molekylets akse. Deraf navnet på molekylet (zigzag)-DNK. Z-DNA er det mindst snoede (12 basepar pr. tur) og tyndeste DNA, der er kendt i naturen. Afstanden mellem tilstødende nukleotider er 0,38 nm, længden af vendingen er 4,56 nm, og diameteren af Z-DNA er 1,8 nm. Derudover er udseendet af dette DNA-molekyle kendetegnet ved tilstedeværelsen af en enkelt rille.
Z-formen af DNA er blevet fundet i prokaryote og eukaryote celler. Der er nu opnået antistoffer, der kan skelne Z-formen fra B-formen af DNA. Disse antistoffer binder sig til visse områder af kæmpekromosomerne i spytkirtelcellerne i Drosophila (Dr. melanogaster). Bindingsreaktionen er let at overvåge på grund af den usædvanlige struktur af disse kromosomer, hvor tættere regioner (skiver) står i kontrast til mindre tætte regioner (mellemdiske). Z-DNA-regioner er placeret i mellemdiskene. Det følger heraf, at Z-formen faktisk eksisterer under naturlige forhold, selvom størrelsen af individuelle sektioner af Z-formen stadig er ukendte.
(invertere) er de mest berømte og hyppigst forekommende basesekvenser i DNA. Et palindrom er et ord eller en sætning, der læser det samme fra venstre mod højre og omvendt. Eksempler på sådanne ord eller sætninger er: HYTTE, KOSAK, FLOD OG ROSEN FALDET PÅ AZORS PÅ. Når det anvendes på DNA-sektioner, betyder dette udtryk (palindrom) den samme veksling af nukleotider langs kæden fra højre til venstre og venstre mod højre (som bogstaverne i ordet "hytte" osv.).
Et palindrom er karakteriseret ved tilstedeværelsen af inverterede gentagelser af basesekvenser, der har andenordens symmetri i forhold til to DNA-strenge. Sådanne sekvenser er af indlysende årsager selvkomplementære og har tendens til at danne hårnåle eller korsformede strukturer (fig.). Hårnåle hjælper regulatoriske proteiner med at genkende, hvor den genetiske tekst af kromosom-DNA er kopieret.
Når en omvendt gentagelse er til stede på den samme DNA-streng, kaldes sekvensen en spejlgentagelse. Spejlgentagelser har ikke selvkomplementaritetsegenskaber og er derfor ikke i stand til at danne hårnåle eller korsformede strukturer. Sekvenser af denne type findes i næsten alle store DNA-molekyler og kan variere fra blot nogle få basepar til flere tusinde basepar.
Tilstedeværelsen af palindromer i form af korsformede strukturer i eukaryote celler er ikke blevet bevist, selvom et vist antal korsformede strukturer er blevet påvist in vivo i E. coli-celler. Tilstedeværelsen af selvkomplementære sekvenser i RNA eller enkeltstrenget DNA er hovedårsagen til foldningen af nukleinsyrekæden i opløsninger til en bestemt rumlig struktur, karakteriseret ved dannelsen af mange "hårnåle".
H-form DNA er en helix dannet af tre DNA-strenge - en DNA triple helix. Det er et kompleks af en Watson-Crick-dobbelthelix med en tredje enkeltstrenget DNA-streng, som passer ind i dens store rille og danner et såkaldt Hoogsteen-par.
Dannelsen af en sådan tripleks sker som et resultat af foldningen af en DNA-dobbelthelix på en sådan måde, at halvdelen af dens sektion forbliver i form af en dobbelthelix, og den anden halvdel er adskilt. I dette tilfælde danner en af de afbrudte helixer en ny struktur med den første halvdel af den dobbelte helix - en tredobbelt helix, og den anden viser sig at være ustruktureret i form af en enkeltstrenget sektion. Et træk ved denne strukturelle overgang er dens skarpe afhængighed af mediets pH, hvis protoner stabiliserer den nye struktur. På grund af denne funktion blev den nye struktur kaldt H-formen af DNA, hvis dannelse blev opdaget i supercoiled plasmider indeholdende homopurin-homopyrimidin-regioner, som er en spejlgentagelse.
I yderligere undersøgelser blev det fastslået, at det er muligt at udføre en strukturel overgang af nogle homopurin-homopyrimidin dobbeltstrengede polynukleotider med dannelsen af en trestrenget struktur indeholdende:
- en homopurin og to homopyrimidinstrenge ( Py-Pu-Py triplex) [Hoogsteen interaktion].
De konstituerende blokke af Py-Pu-Py triplex er kanoniske isomorfe CGC+ og TAT triader. Stabilisering af tripleksen kræver protonering af CGC+ triaden, så disse triplekser afhænger af opløsningens pH.
- en homopyrimidin og to homopurin strenge ( Py-Pu-Pu triplex) [omvendt Hoogsteen-interaktion].
De konstituerende blokke af Py-Pu-Pu triplex er kanoniske isomorfe CGG- og TAA-triader. En væsentlig egenskab ved Py-Pu-Pu-triplekser er afhængigheden af deres stabilitet af tilstedeværelsen af dobbeltladede ioner, og forskellige ioner er nødvendige for at stabilisere triplekser af forskellige sekvenser. Da dannelsen af Py-Pu-Pu-triplekser ikke kræver protonering af deres konstituerende nukleotider, kan sådanne triplekser eksistere ved neutral pH.
Bemærk: direkte og omvendte Hoogsteen-interaktioner forklares af symmetrien af 1-methylthymin: en drejning på 180° resulterer i, at O2-atomet træder i stedet for O4-atomet, mens systemet af hydrogenbindinger bevares.
Der kendes to typer triple helixer:
- parallelle tredobbelte helixer, hvor polariteten af den tredje streng falder sammen med polariteten af homopurinkæden i Watson-Crick duplexen
- antiparallelle tredobbelte helixer, hvor polariteterne af tredje- og homopurin-kæden er modsatte.
G-quadruplex- 4-strenget DNA. Denne struktur dannes, hvis der er fire guaniner, som danner den såkaldte G-quadruplex - en runddans af fire guaniner.
De første antydninger af muligheden for dannelsen af sådanne strukturer blev modtaget længe før Watsons og Cricks gennembrudsarbejde - tilbage i 1910. Så opdagede den tyske kemiker Ivar Bang, at en af komponenterne i DNA - guanosinsyre - danner geler i høje koncentrationer, mens andre komponenter i DNA ikke har denne egenskab.
I 1962 var det ved hjælp af røntgendiffraktionsmetoden muligt at fastslå cellestrukturen af denne gel. Det viste sig at være sammensat af fire guaninrester, der forbinder hinanden i en cirkel og danner en karakteristisk firkant. I midten er bindingen understøttet af en metalion (Na, K, Mg). De samme strukturer kan dannes i DNA, hvis det indeholder meget guanin. Disse flade firkanter (G-kvartetter) er stablet for at danne ret stabile, tætte strukturer (G-quadruplexes).
Fire separate DNA-strenge kan væves til firestrengede komplekser, men dette er snarere en undtagelse. Oftere bindes en enkelt nukleinsyrestreng blot til en knude, der danner karakteristiske fortykkelser (for eksempel ved enderne af kromosomerne), eller dobbeltstrenget DNA i en guaninrig region danner en lokal quadruplex.
Eksistensen af quadruplexes i enderne af kromosomerne - ved telomerer og i tumorpromotorer - er blevet mest undersøgt. Et fuldstændigt billede af lokaliseringen af sådant DNA i humane kromosomer kendes dog stadig ikke.
Alle disse usædvanlige DNA-strukturer i lineær form er ustabile sammenlignet med B-form DNA. Imidlertid eksisterer DNA ofte i en cirkulær form for topologisk spænding, når det har det, der kaldes supercoiling. Under disse forhold dannes der let ikke-kanoniske DNA-strukturer: Z-former, "kryds" og "hårnåle", H-former, guanin quadruplexes og i-motiv.
- Supercoiled form - bemærkes, når den frigives fra cellekernen uden at beskadige pentosephosphat-rygraden. Den har form som supersnoede lukkede ringe. I den supercoilede tilstand er DNA-dobbelthelixen "snoet på sig selv" mindst én gang, det vil sige, at den indeholder mindst en superturn (har form af en ottetalsfigur).
- Afslappet DNA-tilstand - observeret med et enkelt brud (brud af en streng). I dette tilfælde forsvinder superspolerne, og DNA'et har form af en lukket ring.
- Den lineære form af DNA observeres, når to strenge af en dobbelt helix brydes.
Tertiær struktur af DNA
Tertiær struktur af DNA dannes som et resultat af yderligere vridning i rummet af et dobbeltspiralformet molekyle - dets supercoiling. Supercoiling af DNA-molekylet i eukaryote celler forekommer i modsætning til prokaryoter i form af komplekser med proteiner.
Næsten alt DNA fra eukaryoter findes i kernernes kromosomer kun en lille mængde er indeholdt i mitokondrier, og i planter, i plastider. Hovedstoffet i kromosomerne i eukaryote celler (inklusive humane kromosomer) er kromatin, der består af dobbeltstrenget DNA, histon og ikke-histonproteiner.
Histonkromatinproteiner
Histoner er simple proteiner, der udgør op til 50% af kromatin. I alle undersøgte dyre- og planteceller blev der fundet fem hovedklasser af histoner: H1, H2A, H2B, H3, H4, forskellige i størrelse, aminosyresammensætning og ladning (altid positiv).
Pattedyrshiston H1 består af en enkelt polypeptidkæde indeholdende ca. 215 aminosyrer; størrelsen af andre histoner varierer fra 100 til 135 aminosyrer. Alle er spiraliseret og snoet til en kugle med en diameter på omkring 2,5 nm og indeholder en usædvanlig stor mængde positivt ladede aminosyrer lysin og arginin. Histoner kan acetyleres, methyleres, phosphoryleres, poly(ADP)-ribosyleres, og histonerne H2A og H2B er kovalent bundet til ubiquitin. Rollen af sådanne ændringer i dannelsen af strukturen og udførelsen af funktioner af histoner er endnu ikke blevet fuldstændig belyst. Det antages, at dette er deres evne til at interagere med DNA og tilvejebringe en af mekanismerne til regulering af genvirkning.
Histoner interagerer med DNA primært gennem ionbindinger (saltbroer) dannet mellem de negativt ladede fosfatgrupper i DNA og de positivt ladede lysin- og argininrester af histoner.
Ikke-histon kromatinproteiner
Ikke-histonproteiner, i modsætning til histoner, er meget forskellige. Op til 590 forskellige fraktioner af DNA-bindende ikke-histonproteiner er blevet isoleret. De kaldes også sure proteiner, da deres struktur er domineret af sure aminosyrer (de er polyanioner). Mangfoldigheden af ikke-histonproteiner er forbundet med specifik regulering af kromatinaktivitet. For eksempel kan enzymer, der kræves til DNA-replikation og ekspression, binde sig til kromatin forbigående. Andre proteiner, f.eks. dem, der er involveret i forskellige regulatoriske processer, binder sig kun til DNA i specifikke væv eller på bestemte stadier af differentiering. Hvert protein er komplementært til en specifik sekvens af DNA-nukleotider (DNA-sted). Denne gruppe omfatter:
- familie af stedspecifikke zinkfingerproteiner. Hver "zinkfinger" genkender et specifikt sted bestående af 5 nukleotidpar.
- familie af stedspecifikke proteiner - homodimerer. Fragmentet af et sådant protein i kontakt med DNA har en helix-turn-helix-struktur.
- højmobilitetsgelproteiner (HMG-proteiner) er en gruppe af strukturelle og regulatoriske proteiner, der konstant er forbundet med kromatin. De har en molekylvægt på mindre end 30 kDa og er karakteriseret ved et højt indhold af ladede aminosyrer. På grund af deres lave molekylvægt har HMG-proteiner høj mobilitet under polyacrylamidgelelektroforese.
- replikation, transkription og reparationsenzymer.
Med deltagelse af strukturelle, regulatoriske proteiner og enzymer involveret i syntesen af DNA og RNA, omdannes nukleosomtråden til et stærkt kondenseret kompleks af proteiner og DNA. Den resulterende struktur er 10.000 gange kortere end det oprindelige DNA-molekyle.
Chromatin
Kromatin er et kompleks af proteiner med nuklear DNA og uorganiske stoffer. Størstedelen af kromatinen er inaktiv. Den indeholder tætpakket, kondenseret DNA. Dette er heterochromatin. Der er konstitutiv, genetisk inaktiv kromatin (satellit-DNA) bestående af ikke-udtrykte områder og fakultativ - inaktiv i en række generationer, men under visse omstændigheder i stand til at udtrykkes.
Aktiv kromatin (euchromatin) er ukondenseret, dvs. pakket mindre tæt. I forskellige celler varierer dets indhold fra 2 til 11%. I hjerneceller er det mest udbredt - 10-11%, i leverceller - 3-4 og nyreceller - 2-3%. Aktiv transkription af euchromatin er noteret. Desuden tillader dens strukturelle organisation, at den samme genetiske DNA-information, der er iboende i en given type organisme, kan bruges forskelligt i specialiserede celler.
I et elektronmikroskop ligner billedet af kromatin perler: sfæriske fortykkelser omkring 10 nm i størrelse, adskilt af trådlignende broer. Disse sfæriske fortykkelser kaldes nukleosomer. Nukleosomet er en strukturel enhed af kromatin. Hvert nukleosom indeholder et 146-bp supercoiled DNA-segment, der er viklet for at danne 1,75 venstredrejninger pr. nukleosomal kerne. Den nukleosomale kerne er en histonoktamer bestående af histonerne H2A, H2B, H3 og H4, to molekyler af hver type (fig. 9), der ligner en skive med en diameter på 11 nm og en tykkelse på 5,7 nm. Den femte histon, H1, er ikke en del af den nukleosomale kerne og er ikke involveret i processen med at sno DNA til histonoktameren. Det kontakter DNA på de steder, hvor den dobbelte helix kommer ind og ud af den nukleosomale kerne. Disse er intercore (linker) DNA-sektioner, hvis længde varierer afhængigt af celletypen fra 40 til 50 nukleotidpar. Som et resultat varierer længden af DNA-fragmentet inkluderet i nukleosomerne også (fra 186 til 196 nukleotidpar).
Nukleosomer indeholder cirka 90% DNA, resten er linkere. Det antages, at nukleosomer er fragmenter af "tavs" kromatin, og linkeren er aktiv. Nukleosomer kan dog udfolde sig og blive lineære. Udfoldede nukleosomer er allerede aktive kromatin. Dette viser tydeligt funktionens afhængighed af struktur. Det kan antages, at jo mere kromatin er indeholdt i kugleformede nukleosomer, jo mindre aktivt er det. I forskellige celler er den ulige andel af hvilekromatin naturligvis forbundet med antallet af sådanne nukleosomer.
I elektronmikroskopiske fotografier, afhængigt af isolationsbetingelserne og graden af strækning, kan kromatin ikke kun se ud som en lang tråd med fortykkelser - "perler" af nukleosomer, men også som en kortere og tættere fibril (fiber) med en diameter på 30 nm, hvis dannelse observeres under interaktion histon H1 bundet til linker-regionen af DNA og histon H3, hvilket fører til yderligere vridning af helixen på seks nukleosomer pr. omgang for at danne en solenoide med en diameter på 30 nm. I dette tilfælde kan histonproteinet interferere med transkriptionen af en række gener og dermed regulere deres aktivitet.
Som et resultat af interaktionerne mellem DNA og histoner beskrevet ovenfor, omdannes et segment af en DNA-dobbelthelix på 186 basepar med en gennemsnitlig diameter på 2 nm og en længde på 57 nm til en helix med en diameter på 10 nm og en længde på 5 nm. Når denne helix efterfølgende komprimeres til en fiber med en diameter på 30 nm, øges graden af kondensation yderligere seks gange.
I sidste ende resulterer pakningen af en DNA-dupleks med fem histoner i 50 gange kondensering af DNA. Men selv en så høj grad af kondensering kan ikke forklare den næsten 50.000 - 100.000 gange komprimering af DNA i metafasekromosomet. Desværre er detaljerne om yderligere kromatinpakning op til metafasekromosomet endnu ikke kendt, så vi kan kun overveje de generelle træk ved denne proces.
Niveauer af DNA-komprimering i kromosomer
Hvert DNA-molekyle er pakket ind i et separat kromosom. Humane diploide celler indeholder 46 kromosomer, som er placeret i cellekernen. Den samlede længde af DNA'et af alle kromosomer i en celle er 1,74 m, men diameteren af den kerne, hvori kromosomerne er pakket, er millioner af gange mindre. En sådan kompakt pakning af DNA i kromosomer og kromosomer i cellekernen sikres af en række forskellige histon- og ikke-histonproteiner, der interagerer i en bestemt sekvens med DNA (se ovenfor). Komprimering af DNA i kromosomer gør det muligt at reducere dets lineære dimensioner med cirka 10.000 gange - omtrent fra 5 cm til 5 mikron. Der er flere niveauer af komprimering (fig. 10).
- DNA dobbelt helix er et negativt ladet molekyle med en diameter på 2 nm og en længde på flere cm.
- nukleosom niveau- kromatin ser i et elektronmikroskop ud som en kæde af "perler" - nukleosomer - "på en tråd". Nukleosomet er en universel strukturel enhed, der findes i både euchromatin og heterochromatin, i interfase-kernen og metafase-kromosomerne.
Det nukleosomale niveau af komprimering sikres af specielle proteiner - histoner. Otte positivt ladede histondomæner danner kernen af nukleosomet, omkring hvilket et negativt ladet DNA-molekyle er viklet. Dette giver en afkortning på 7 gange, mens diameteren stiger fra 2 til 11 nm.
- solenoide niveau
Solenoidniveauet for kromosomorganisation er karakteriseret ved snoning af nukleosomfilamentet og dannelsen af tykkere fibriller med en diameter på 20-35 nm - solenoider eller superbider. Solenoid-pitch er 11 nm der er omkring 6-10 nukleosomer pr. Solenoidpakning anses for mere sandsynligt end superbid pakning, ifølge hvilken en kromatinfibril med en diameter på 20-35 nm er en kæde af granulat eller superbids, som hver består af otte nukleosomer. På solenoidniveau reduceres den lineære størrelse af DNA med 6-10 gange, diameteren øges til 30 nm.
- sløjfe niveau
Løkkeniveauet er tilvejebragt af ikke-histon-stedspecifikke DNA-bindende proteiner, der genkender og binder til specifikke DNA-sekvenser og danner løkker på ca. 30-300 kb. Sløjfen sikrer genekspression, dvs. løkken er ikke kun en strukturel, men også en funktionel formation. Afkortning på dette niveau forekommer 20-30 gange. Diameteren stiger til 300 nm. Sløjfeformede strukturer såsom "lampebørster" i paddeæggeceller kan ses i cytologiske præparater. Disse løkker ser ud til at være supersnoede og repræsenterer DNA-domæner, hvilket sandsynligvis svarer til enheder for transkription og kromatinreplikation. Specifikke proteiner fikserer løkkernes baser og muligvis nogle af deres indre sektioner. Den loop-lignende domæneorganisation fremmer foldningen af kromatin i metafasekromosomer til spiralformede strukturer af højere orden.
- domæneniveau
Domæneniveauet for kromosomorganisation er ikke blevet undersøgt nok. På dette niveau bemærkes dannelsen af loop-domæner - strukturer af tråde (fibriller) 25-30 nm tykke, som indeholder 60% protein, 35% DNA og 5% RNA, er praktisk talt usynlige i alle faser af cellecyklussen med undtagelse af mitose og er noget tilfældigt fordelt gennem cellekernen. Sløjfeformede strukturer såsom "lampebørster" i paddeæggeceller kan ses i cytologiske præparater.
Loop-domæner er knyttet i deres base til den intranukleære proteinmatrix i de såkaldte indbyggede bindingssteder, ofte omtalt som MAR/SAR-sekvenser (MAR, fra den engelske matrixassocierede region; SAR, fra de engelske scaffold-tilknytningsregioner) - DNA-fragmenter flere hundrede lange basepar, der er karakteriseret ved et højt indhold (>65%) af A/T-nukleotidpar. Hvert domæne ser ud til at have et enkelt replikationsorigin og fungerer som en autonom superhelisk enhed. Ethvert loop-domæne indeholder mange transkriptionsenheder, hvis funktion sandsynligvis er koordineret - hele domænet er enten i en aktiv eller inaktiv tilstand.
På domæneniveau, som et resultat af sekventiel kromatinpakning, forekommer et fald i de lineære dimensioner af DNA med ca. 200 gange (700 nm).
- kromosomniveau
På det kromosomale niveau sker kondensering af profasekromosomet til et metafasekromosom med komprimering af loop-domæner omkring den aksiale ramme af ikke-histonproteiner. Denne supercoiling er ledsaget af phosphorylering af alle H1-molekyler i cellen. Som et resultat kan metafasekromosomet afbildes som tætpakkede solenoidsløjfer, viklet ind i en tæt spiral. Et typisk humant kromosom kan indeholde op til 2.600 sløjfer. Tykkelsen af en sådan struktur når 1400 nm (to kromatider), og DNA-molekylet er forkortet med 104 gange, dvs. fra 5 cm strakt DNA til 5 µm.
Funktioner af kromosomer
I samspil med ekstrakromosomale mekanismer giver kromosomer
- opbevaring af arvelige oplysninger
- bruge disse oplysninger til at skabe og vedligeholde mobilorganisation
- regulering af læsning af arvelig information
- selvduplikation af genetisk materiale
- overførsel af genetisk materiale fra modercellen til dattercellerne.
Der er tegn på, at når en region af kromatin aktiveres, dvs. under transskription fjernes først histon H1 og derefter histonoktetten reversibelt fra den. Dette forårsager kromatindekondensation, den sekventielle overgang af en 30-nm kromatinfibril til en 10-nm fibril og dens videre udfoldelse til sektioner af frit DNA, dvs. tab af nukleosomstruktur.
Vi ved alle, at en persons udseende, nogle vaner og endda sygdomme er arvet. Al denne information om et levende væsen er kodet i gener. Så hvordan ser disse berygtede gener ud, hvordan fungerer de, og hvor er de placeret?
Så bæreren af alle gener fra enhver person eller dyr er DNA. Denne forbindelse blev opdaget i 1869 af Johann Friedrich Miescher Kemisk er DNA deoxyribonukleinsyre. Hvad betyder det? Hvordan bærer denne syre den genetiske kode for alt liv på vores planet?
Lad os starte med at se på, hvor DNA er placeret. En menneskelig celle indeholder mange organeller, der udfører forskellige funktioner. DNA er placeret i kernen. Kernen er en lille organel, som er omgivet af en særlig membran, og hvori alt arvematerialet - DNA - er lagret.
Hvad er strukturen af et DNA-molekyle?
Først og fremmest, lad os se på, hvad DNA er. DNA er et meget langt molekyle bestående af strukturelle elementer - nukleotider. Der er 4 typer nukleotider - adenin (A), thymin (T), guanin (G) og cytosin (C). Nukleotidkæden ser skematisk således ud: GGAATTCTAAG... Denne sekvens af nukleotider er DNA-kæden.Strukturen af DNA blev først dechifreret i 1953 af James Watson og Francis Crick.
I et DNA-molekyle er der to kæder af nukleotider, der er spiralformet snoet omkring hinanden. Hvordan forbliver disse nukleotidkæder sammen og snoer sig til en spiral? Dette fænomen skyldes komplementaritetens egenskab. Komplementaritet betyder, at kun visse nukleotider (komplementære) kan findes over for hinanden i to kæder. Modsat adenin er der således altid thymin, og modsat guanin er der altid kun cytosin. Således er guanin komplementær til cytosin, og adenin er komplementær til thymin Sådanne nukleotidpar modsat hinanden i forskellige kæder kaldes også komplementære.
Det kan ske skematisk som følger:
G - C
T - A
T - A
C - G
Disse komplementære par A - T og G - C danner en kemisk binding mellem nukleotiderne i parret, og bindingen mellem G og C er stærkere end mellem A og T. Bindingen dannes strengt mellem komplementære baser, det vil sige dannelsen af en binding mellem ikke-komplementær G og A er umulig.
"Indpakning" af DNA, hvordan bliver en DNA-streng til et kromosom?
Hvorfor snor disse DNA-nukleotidkæder sig også rundt om hinanden? Hvorfor er dette nødvendigt? Faktum er, at antallet af nukleotider er enormt, og at der skal meget plads til for at rumme så lange kæder. Af denne grund snoer to DNA-strenge sig rundt om hinanden på en spiralformet måde. Dette fænomen kaldes spiralisering. Som et resultat af spiralisering forkortes DNA-kæder med 5-6 gange.Nogle DNA-molekyler bruges aktivt af kroppen, mens andre sjældent bruges. Ud over spiralisering gennemgår sådanne sjældent brugte DNA-molekyler endnu mere kompakt "pakning". Denne kompakte emballage kaldes supercoiling og forkorter DNA-strengen med 25-30 gange!
Hvordan pakker DNA-spiraler?
Supercoiling bruger histonproteiner, som har udseendet og strukturen som en stang eller trådspole. Spiraliserede DNA-strenge vikles på disse "spoler" - histonproteiner. Den lange tråd bliver således meget kompakt pakket og fylder meget lidt. Hvis det er nødvendigt at bruge et eller andet DNA-molekyle, sker processen med "afvikling", det vil sige, at DNA-strengen "vikles af" fra "spolen" - histonproteinet (hvis det blev viklet på det) og afvikles fra spiralen i to parallelle kæder. Og når DNA-molekylet er i sådan en usnoet tilstand, så kan den nødvendige genetiske information aflæses fra det. Desuden læses genetisk information kun fra ikke-snoede DNA-strenge!
Et sæt supersnoede kromosomer kaldes heterochromatin, og de kromosomer, der er tilgængelige til at læse information er euchromatin.
Hvad er gener, hvad er deres forbindelse med DNA?
Lad os nu se på, hvad gener er. Det er kendt, at der er gener, der bestemmer blodtype, øjenfarve, hår, hud og mange andre egenskaber ved vores krop. Et gen er en strengt defineret sektion af DNA, der består af et vist antal nukleotider arrangeret i en strengt defineret kombination. Placering i en strengt defineret DNA-sektion betyder, at et specifikt gen tildeles sin plads, og det er umuligt at ændre dette sted. Det er passende at foretage følgende sammenligning: en person bor på en bestemt gade, i et bestemt hus og lejlighed, og en person kan ikke frivilligt flytte til et andet hus, lejlighed eller til en anden gade. Et vist antal nukleotider i et gen betyder, at hvert gen har et bestemt antal nukleotider, og de kan ikke blive flere eller færre. For eksempel består genet, der koder for insulinproduktion, af 60 nukleotidpar; genet, der koder for produktionen af hormonet oxytocin - af 370 nukleotidpar. Den strenge nukleotidsekvens er unik for hvert gen og strengt defineret. For eksempel er sekvensen AATAATA et fragment af et gen, der koder for insulinproduktion. For at opnå insulin bruges netop denne sekvens til at opnå f.eks. adrenalin, en anden kombination af nukleotider. Det er vigtigt at forstå, at kun en bestemt kombination af nukleotider koder for et bestemt "produkt" (adrenalin, insulin osv.). Sådan en unik kombination af et vist antal nukleotider, der står på "dens plads" - det er gen.
Ud over gener indeholder DNA-kæden såkaldte "ikke-kodende sekvenser". Sådanne ikke-kodende nukleotidsekvenser regulerer genernes funktion, hjælper med at spiralisere kromosomer og markerer start- og slutpunktet for et gen. Men indtil videre er rollen for de fleste ikke-kodende sekvenser uklar.
Hvad er et kromosom? Kønskromosomer
Samlingen af gener fra et individ kaldes genomet. Naturligvis kan hele genomet ikke være indeholdt i ét DNA. Genomet er opdelt i 46 par DNA-molekyler. Et par DNA-molekyler kaldes et kromosom. Så mennesker har 46 af disse kromosomer. Hvert kromosom bærer et strengt defineret sæt af gener, for eksempel indeholder kromosom 18 gener, der koder for øjenfarve osv. Kromosomer adskiller sig fra hinanden i længde og form. De mest almindelige former er X eller Y, men der er også andre. Mennesker har to kromosomer af samme form, som kaldes par. På grund af sådanne forskelle er alle parrede kromosomer nummererede - der er 23 par. Det betyder, at der er kromosompar nr. 1, par nr. 2, nr. 3 osv. Hvert gen, der er ansvarligt for en specifik egenskab, er placeret på det samme kromosom. Moderne retningslinjer for specialister kan indikere genets placering, for eksempel som følger: kromosom 22, lang arm.Hvad er forskellene mellem kromosomer?
Hvordan adskiller kromosomerne sig ellers fra hinanden? Hvad betyder udtrykket lang skulder? Lad os tage kromosomer af formen X. Skæringen af DNA-strenge kan forekomme strengt i midten (X), eller den kan forekomme ikke centralt. Når en sådan skæring af DNA-strenge ikke forekommer centralt, så i forhold til skæringspunktet er nogle ender længere, andre hhv. kortere. Sådanne lange ender kaldes normalt kromosomets lange arm, og korte ender kaldes den korte arm. I kromosomer af Y-formen er de fleste arme besat af lange arme, og de korte er meget små (de er ikke engang angivet på det skematiske billede). Størrelsen på kromosomerne varierer: de største er kromosomerne af par nr. 1 og nr. 3, de mindste kromosomer er par nr. 17, nr. 19.
Ud over deres form og størrelse adskiller kromosomerne sig i de funktioner, de udfører. Af de 23 par er 22 par somatiske og 1 par er seksuelle. Hvad betyder det? Somatiske kromosomer bestemmer alle de ydre karakteristika for et individ, karakteristikaene for hans adfærdsreaktioner, arvelig psykotype, det vil sige alle de træk og karakteristika for hver enkelt person. Et par kønskromosomer bestemmer en persons køn: mand eller kvinde. Der er to typer af menneskelige kønskromosomer: X (X) og Y (Y). Hvis de kombineres som XX (x - x) - er dette en kvinde, og hvis XY (x - y) - har vi en mand.
Arvelige sygdomme og kromosomskader
Der sker dog "nedbrydninger" af genomet, og så opdages genetiske sygdomme hos mennesker. For eksempel, når der er tre kromosomer i det 21. par kromosomer i stedet for to, bliver en person født med Downs syndrom.Der er mange mindre "nedbrydninger" af genetisk materiale, som ikke fører til sygdom, men tværtimod bibringer gode egenskaber. Alle "nedbrydninger" af genetisk materiale kaldes mutationer. Mutationer, der fører til sygdomme eller forringelse af kroppens egenskaber, betragtes som negative, og mutationer, der fører til dannelsen af nye gavnlige egenskaber, betragtes som positive.
Men med de fleste af de sygdomme, som mennesker lider af i dag, er det ikke sygdommen, der er arvelig, men kun en disposition. For eksempel optager faderen til et barn sukker langsomt. Det betyder ikke, at barnet bliver født med diabetes, men barnet vil have en disposition. Det betyder, at hvis et barn misbruger slik og melprodukter, vil det udvikle diabetes.
I dag er den såkaldte prædikativ medicin. Som en del af denne medicinske praksis identificeres en persons dispositioner (baseret på identifikation af de tilsvarende gener), og derefter får han anbefalinger - hvilken diæt man skal følge, hvordan man korrekt veksler mellem arbejde og hvile for ikke at blive syg.
Hvordan læser man informationen kodet i DNA?
Hvordan kan du læse oplysningerne i DNA? Hvordan bruger dens egen krop det? DNA i sig selv er en slags matrix, men ikke simpel, men kodet. For at læse information fra DNA-matrixen overføres den først til en speciel bærer - RNA. RNA er kemisk ribonukleinsyre. Det adskiller sig fra DNA ved, at det kan passere gennem kernemembranen ind i cellen, mens DNA mangler denne evne (det kan kun findes i kernen). Den kodede information bruges i selve cellen. Så RNA er en bærer af kodet information fra kernen til cellen.Hvordan foregår RNA-syntese, hvordan syntetiseres protein ved hjælp af RNA?
De DNA-strenge, som information skal "læses" fra, slapper af, et særligt "builder"-enzym nærmer sig dem og syntetiserer en komplementær RNA-kæde parallelt med DNA-strengen. RNA-molekylet består desuden af 4 typer nukleotider - adenin (A), uracil (U), guanin (G) og cytosin (C). I dette tilfælde er følgende par komplementære: adenin - uracil, guanin - cytosin. Som du kan se, i modsætning til DNA, bruger RNA uracil i stedet for thymin. Det vil sige, at "builder"-enzymet fungerer som følger: hvis det ser A i DNA-strengen, så binder det Y til RNA-strengen, hvis G, så binder det C osv. Der dannes således en skabelon fra hvert aktivt gen under transkriptionen – en kopi af RNA, der kan passere gennem kernemembranen. Hvordan foregår syntesen af et protein kodet af et specifikt gen?
Efter at have forladt kernen kommer RNA ind i cytoplasmaet. Allerede i cytoplasmaet kan RNA indlejres som en matrix i specielle enzymsystemer (ribosomer), som kan syntetisere, styret af RNA-information, den tilsvarende sekvens af proteinaminosyrer. Et proteinmolekyle består som bekendt af aminosyrer. Hvordan ved ribosomet, hvilken aminosyre det skal tilføjes til den voksende proteinkæde? Dette gøres ud fra tripletkoden. Tripletkoden betyder, at sekvensen af tre nukleotider i RNA-kæden ( trilling, for eksempel GGU) koder for en enkelt aminosyre (i dette tilfælde glycin). Hver aminosyre er kodet af en specifik triplet. Og så "læser" ribosomet tripletten, bestemmer hvilken aminosyre der skal tilføjes næste gang, da den læser informationen i RNA'et. Når en kæde af aminosyrer dannes, antager den en vis rumlig form og bliver til et protein, der er i stand til at udføre de enzymatiske, konstruktionsmæssige, hormonelle og andre funktioner, der er tildelt det.Protein for enhver levende organisme er produktet af et gen. Det er proteiner, der bestemmer alle de forskellige egenskaber, kvaliteter og ydre manifestationer af gener.
Forkortelsen cellulært DNA kender mange fra et skolebiologikursus, men de færreste kan nemt svare på, hvad det er. Kun en vag idé om arvelighed og genetik forbliver i hukommelsen umiddelbart efter eksamen. At vide, hvad DNA er, og hvilken indflydelse det har på vores liv, kan nogle gange være meget nødvendigt.
DNA molekyle
Biokemikere skelner mellem tre typer makromolekyler: DNA, RNA og proteiner. Deoxyribonukleinsyre er en biopolymer, der er ansvarlig for at overføre data om en arts arvelige egenskaber, karakteristika og udvikling fra generation til generation. Dens monomer er et nukleotid. Hvad er DNA-molekyler? Det er hovedkomponenten i kromosomerne og indeholder den genetiske kode.
DNA struktur
Tidligere forestillede forskerne sig, at DNA-strukturmodellen var periodisk, hvor identiske grupper af nukleotider (kombinationer af fosfat- og sukkermolekyler) blev gentaget. En vis kombination af nukleotidsekvenser giver mulighed for at "kode" information. Takket være forskning er det blevet klart, at strukturen er forskellig i forskellige organismer.
Amerikanske videnskabsmænd Alexander Rich, David Davis og Gary Felsenfeld er især berømte i at studere spørgsmålet om, hvad DNA er. De præsenterede en beskrivelse af en nukleinsyre med tre helix i 1957. 28 år senere demonstrerede videnskabsmanden Maxim Davidovich Frank-Kamenitsky, hvordan deoxyribonukleinsyre, som består af to helixer, foldes til en H-form af 3 strenge.
Strukturen af deoxyribonukleinsyre er dobbeltstrenget. I den er nukleotider forbundet i par for at danne lange polynukleotidkæder. Disse kæder muliggør dannelsen af en dobbelthelix ved hjælp af hydrogenbindinger. Undtagelsen er vira, der har et enkeltstrenget genom. Der er lineært DNA (nogle vira, bakterier) og cirkulært (mitokondrier, kloroplaster).
DNA sammensætning
Uden viden om, hvad DNA er lavet af, ville der ikke være nogen medicinske fremskridt. Hvert nukleotid består af tre dele: en pentosesukkerrest, en nitrogenholdig base og en fosforsyrerest. Baseret på egenskaberne af forbindelsen kan syrer kaldes deoxyribonuklein eller ribonuklein. DNA indeholder et stort antal mononukleotider af to baser: cytosin og thymin. Derudover indeholder den pyrimidinderivater, adenin og guanin.
Der er en definition i biologien kaldet DNA - junk-DNA. Dens funktioner er stadig ukendte. En alternativ version af navnet er "ikke-kodning", hvilket ikke er korrekt, fordi den indeholder kodende proteiner og transposoner, men deres formål er også et mysterium. En af arbejdshypoteserne antyder, at en vis mængde af dette makromolekyle bidrager til den strukturelle stabilisering af genomet med hensyn til mutationer.
Hvor er
Placeringen inde i cellen afhænger af artens karakteristika. I encellede organismer er DNA placeret i membranen. I andre levende væsener er det placeret i kernen, plastider og mitokondrier. Hvis vi taler om menneskets DNA, kaldes det et kromosom. Sandt nok er dette ikke helt sandt, fordi kromosomer er et kompleks af kromatin og deoxyribonukleinsyre.
Rolle i buret
Hovedrollen for DNA i celler er overførsel af arvelige gener og overlevelse af den fremtidige generation. Ikke kun det fremtidige individs eksterne data, men også dets karakter og sundhed afhænger af det. Deoxyribonukleinsyre er i en supersnoet tilstand, men for en livskvalitetsproces af høj kvalitet skal den ikke snoes. Enzymer hjælper hende med dette - topoisomeraser og helikaser.
Topoisomeraser er nukleaser og er i stand til at ændre graden af torsion. En anden af deres funktioner er deltagelse i transkription og replikation (celledeling). Helicaser bryder hydrogenbindinger mellem baser. Der er ligaseenzymer, som "tværbinder" brudte bindinger, og polymeraser, som er involveret i syntesen af nye polynukleotidkæder.
Hvordan DNA dechifreres
Denne forkortelse for biologi er velkendt. Det fulde navn på DNA er deoxyribonukleinsyre. Ikke alle kan sige dette første gang, så DNA-afkodning udelades ofte i talen. Der er også begrebet RNA - ribonukleinsyre, som består af aminosyresekvenser i proteiner. De er direkte beslægtede, og RNA er det næstvigtigste makromolekyle.
Menneskets DNA
Menneskelige kromosomer er adskilt i kernen, hvilket gør menneskets DNA til den mest stabile, komplette informationsbærer. Under genetisk rekombination adskilles helixerne, sektioner udveksles, og derefter genoprettes forbindelsen. På grund af DNA-skader dannes nye kombinationer og mønstre. Hele mekanismen fremmer naturlig udvælgelse. Det er stadig ukendt, hvor længe den har været ansvarlig for genomtransmission, og hvad dens metaboliske udvikling har været.
Hvem åbnede
Den første opdagelse af DNA-strukturen tilskrives de engelske biologer James Watson og Francis Crick, som i 1953 afslørede molekylets strukturelle træk. Det blev fundet af den schweiziske læge Friedrich Miescher i 1869. Han studerede den kemiske sammensætning af dyreceller ved hjælp af leukocytter, som akkumuleres i massevis i purulente læsioner.
Miescher studerede metoder til at vaske hvide blodlegemer, isolerede proteiner, da han opdagede, at der var noget andet end dem. Et bundfald af flager dannet i bunden af fadet under forarbejdningen. Efter at have undersøgt disse aflejringer under et mikroskop opdagede den unge læge kerner, der var tilbage efter behandling med saltsyre. Den indeholdt en forbindelse, som Friedrich kaldte nuclein (fra det latinske nucleus - nucleus).
DNA-molekylet består af to strenge, der danner en dobbelt helix. Dens struktur blev først dechifreret af Francis Crick og James Watson i 1953.
I første omgang gav DNA-molekylet, bestående af et par nukleotidkæder snoet rundt om hinanden, anledning til spørgsmål om, hvorfor det havde netop denne form. Forskere kalder dette fænomen komplementaritet, hvilket betyder, at kun visse nukleotider kan findes over for hinanden i dets strenge. For eksempel er adenin altid modsat thymin, og guanin er altid modsat cytosin. Disse nukleotider i DNA-molekylet kaldes komplementære.
Skematisk er det afbildet således:
T - A
C - G
Disse par danner en kemisk nukleotidbinding, som bestemmer rækkefølgen af aminosyrer. I det første tilfælde er det lidt svagere. Forbindelsen mellem C og G er stærkere. Ikke-komplementære nukleotider danner ikke par med hinanden.
Om bygningen
Så strukturen af DNA-molekylet er speciel. Det har denne form af en grund: Faktum er, at antallet af nukleotider er meget stort, og der skal meget plads til for at rumme lange kæder. Det er af denne grund, at kæderne er kendetegnet ved et spiralvrid. Dette fænomen kaldes spiralisering, det tillader trådene at forkorte med omkring fem til seks gange.
Kroppen bruger nogle molekyler af denne type meget aktivt, andre sjældent. Sidstnævnte gennemgår udover spiralisering også en sådan "kompakt emballage" som superspiralisering. Og så falder længden af DNA-molekylet 25-30 gange.
Hvad er "emballagen" af et molekyle?
Processen med supercoiling involverer histonproteiner. De har strukturen og udseendet af en trådspole eller en stang. Spiraliserede tråde vikles på dem, som straks bliver "kompakt pakket" og fylder lidt. Når der opstår behov for at bruge den ene eller anden tråd, vikles den af en spole, for eksempel et histonprotein, og helixen vikles ud i to parallelle kæder. Når DNA-molekylet er i denne tilstand, kan de nødvendige genetiske data aflæses fra det. Der er dog én betingelse. Indhentning af information er kun mulig, hvis strukturen af DNA-molekylet har en ikke-snoet form. Kromosomer, der er tilgængelige for læsning, kaldes euchromatiner, og hvis de er supercoiled, så er de allerede heterochromatiner.
Nukleinsyrer
Nukleinsyrer er ligesom proteiner biopolymerer. Hovedfunktionen er lagring, implementering og overførsel af arvelig (genetisk information). De findes i to typer: DNA og RNA (deoxyribonuklein og ribonuklein). Monomererne i dem er nukleotider, som hver indeholder en phosphorsyrerest, et 5-carbon sukker (deoxyribose/ribose) og en nitrogenholdig base. DNA-koden omfatter 4 typer nukleotider - adenin (A) / guanin (G) / cytosin (C) / thymin (T). De adskiller sig i den nitrogenholdige base, de indeholder.
I et DNA-molekyle kan antallet af nukleotider være enormt – fra flere tusinde til titusinder og hundreder af millioner. Sådanne gigantiske molekyler kan undersøges gennem et elektronmikroskop. I dette tilfælde vil du kunne se en dobbeltkæde af polynukleotidstrenge, som er forbundet med hinanden af hydrogenbindinger af nukleotidernes nitrogenholdige baser.
Forskning
I løbet af forskningen opdagede forskere, at typerne af DNA-molekyler er forskellige i forskellige levende organismer. Det blev også fundet, at guanin af en kæde kun kan binde til cytosin og thymin til adenin. Arrangementet af nukleotider i en kæde svarer strengt til den parallelle. Takket være denne komplementaritet af polynukleotider er DNA-molekylet i stand til at fordoble og selvreproduktion. Men først divergerer de komplementære kæder, under påvirkning af specielle enzymer, der ødelægger parrede nukleotider, og derefter begynder syntesen af den manglende kæde i hver af dem. Dette sker på grund af de frie nukleotider, der er til stede i store mængder i hver celle. Som et resultat af dette dannes der i stedet for "modermolekylet" to "datter", identiske i sammensætning og struktur, og DNA-koden bliver den oprindelige. Denne proces er en forløber for celledeling. Det sikrer overførsel af alle arvelige data fra moderceller til datterceller såvel som til alle efterfølgende generationer.
Hvordan læses genkoden?
I dag beregnes ikke kun massen af et DNA-molekyle - det er også muligt at finde ud af mere komplekse data, som tidligere var utilgængelige for videnskabsmænd. Du kan for eksempel læse information om, hvordan en organisme bruger sin egen celle. Selvfølgelig er denne information først i kodet form og har form af en bestemt matrix, og derfor skal den transporteres til en speciel bærer, som er RNA. Ribonukleinsyre er i stand til at trænge ind i cellen gennem kernemembranen og læse den kodede information indeni. RNA er således en bærer af skjulte data fra kernen til cellen, og det adskiller sig fra DNA ved, at det indeholder ribose i stedet for deoxyribose og uracil i stedet for thymin. Derudover er RNA enkeltstrenget.
RNA syntese
Dybdeanalyse af DNA har vist, at efter at RNA forlader kernen, kommer det ind i cytoplasmaet, hvor det kan integreres som en matrix i ribosomer (særlige enzymsystemer). Vejledt af den modtagne information kan de syntetisere den passende sekvens af proteinaminosyrer. Ribosomet lærer af tripletkoden, hvilken type organisk forbindelse der skal knyttes til den dannede proteinkæde. Hver aminosyre har sin egen specifikke triplet, som koder for den.
Efter dannelsen af kæden er afsluttet, erhverver den en specifik rumlig form og bliver til et protein, der er i stand til at udføre dets hormonelle, konstruktionsmæssige, enzymatiske og andre funktioner. For enhver organisme er det et genprodukt. Det er ud fra det, at alle slags kvaliteter, egenskaber og manifestationer af gener bestemmes.
Gener
Sekventeringsprocesser blev primært udviklet for at få information om, hvor mange gener et DNA-molekyle har i sin struktur. Og selvom forskning har gjort det muligt for forskere at gøre store fremskridt i denne sag, er det endnu ikke muligt at kende deres nøjagtige antal.
For blot et par år siden blev det antaget, at DNA-molekyler indeholder cirka 100 tusind gener. Lidt senere faldt tallet til 80 tusinde, og i 1998 udtalte genetikere, at kun 50 tusinde gener er til stede i et DNA, hvilket kun er 3% af den samlede DNA-længde. Men genetikernes seneste konklusioner var slående. Nu hævder de, at genomet omfatter 25-40 tusinde af disse enheder. Det viser sig, at kun 1,5% af kromosomalt DNA er ansvarligt for kodende proteiner.
Forskningen stoppede ikke der. Et parallelt team af genteknologispecialister fandt ud af, at antallet af gener i et molekyle er præcis 32 tusinde. Som du kan se, er det stadig umuligt at få et endeligt svar. Der er for mange modsætninger. Alle forskere stoler kun på deres resultater.
Var der evolution?
På trods af det faktum, at der ikke er noget bevis for udviklingen af molekylet (da DNA-molekylets struktur er skrøbelig og lille i størrelse), lavede forskerne stadig en antagelse. Baseret på laboratoriedata udtalte de følgende version: i den indledende fase af dets udseende havde molekylet form af et simpelt selvreplikerende peptid, som omfattede op til 32 aminosyrer fundet i de gamle oceaner.
Efter selvreplikation, takket være kræfterne fra naturlig udvælgelse, erhvervede molekyler evnen til at beskytte sig mod eksterne elementer. De begyndte at leve længere og formere sig i større mængder. Molekyler, der befandt sig i lipidboblen, havde alle muligheder for at reproducere sig selv. Som et resultat af en række på hinanden følgende cyklusser erhvervede lipidbobler form af cellemembraner, og derefter - de velkendte partikler. Det skal bemærkes, at i dag er enhver sektion af et DNA-molekyle en kompleks og klart fungerende struktur, alle de funktioner, som videnskabsmænd endnu ikke fuldt ud har studeret.
Moderne verden
For nylig har forskere fra Israel udviklet en computer, der kan udføre billioner af operationer i sekundet. I dag er det den hurtigste bil på jorden. Hele hemmeligheden er, at den innovative enhed er drevet af DNA. Professorer siger, at i den nærmeste fremtid vil sådanne computere endda være i stand til at generere energi.
For et år siden annoncerede specialister fra Weizmann Instituttet i Rehovot (Israel) oprettelsen af en programmerbar molekylær computermaskine bestående af molekyler og enzymer. De erstattede silicium mikrochips med dem. Til dato har holdet gjort yderligere fremskridt. Nu kan kun ét DNA-molekyle give en computer de nødvendige data og det nødvendige brændstof.
Biokemiske "nanocomputere" er ikke en fiktion, de findes allerede i naturen og er manifesteret i ethvert levende væsen. Men ofte styres de ikke af mennesker. En person kan endnu ikke operere på genomet af nogen plante for at beregne f.eks. tallet "Pi".
Ideen om at bruge DNA til lagring/behandling af data kom først i hovedet på videnskabsmænd i 1994. Det var dengang, et molekyle blev brugt til at løse et simpelt matematisk problem. Siden da har en række forskergrupper foreslået forskellige projekter relateret til DNA-computere. Men her var alle forsøg kun baseret på energimolekylet. Du kan ikke se sådan en computer med det blotte øje, den ligner en gennemsigtig opløsning af vand i et reagensglas. Der er ingen mekaniske dele i den, men kun billioner af biomolekylære enheder - og dette er kun i en dråbe væske!
Menneskets DNA
Folk blev opmærksomme på typen af menneskelig DNA i 1953, da videnskabsmænd første gang var i stand til at demonstrere en dobbeltstrenget DNA-model for verden. For dette modtog Kirk og Watson Nobelprisen, da denne opdagelse blev fundamental i det 20. århundrede.
Over tid har de selvfølgelig bevist, at et struktureret menneskeligt molekyle ikke kun kan se ud som i den foreslåede version. Efter at have udført en mere detaljeret DNA-analyse opdagede de A-, B- og venstrehåndsformen Z-. Form A- er ofte en undtagelse, da den kun dannes, hvis der er mangel på fugt. Men dette er kun muligt i laboratorieundersøgelser, for det naturlige miljø kan en sådan proces ikke forekomme i en levende celle.
B-formen er klassisk og er kendt som en dobbelt højrehåndskæde, men Z-formen er ikke kun snoet i modsat retning mod venstre, men har også et mere zigzag udseende. Forskere har også identificeret G-quadruplex-formen. Dens struktur har ikke 2, men 4 tråde. Ifølge genetikere forekommer denne form i områder, hvor der er en overskydende mængde guanin.
Kunstigt DNA
I dag findes der allerede kunstigt DNA, som er en identisk kopi af det rigtige; den følger perfekt strukturen af den naturlige dobbelthelix. Men i modsætning til det originale polynukleotid har det kunstige kun to yderligere nukleotider.
Da eftersynkroniseringen blev skabt på baggrund af information indhentet fra forskellige undersøgelser af ægte DNA, kan den også kopieres, selvreplikere og udvikle sig. Eksperter har arbejdet på at skabe et sådant kunstigt molekyle i omkring 20 år. Resultatet er en fantastisk opfindelse, der kan bruge den genetiske kode på samme måde som naturligt DNA.
Til de fire eksisterende nitrogenholdige baser tilføjede genetikere yderligere to, som blev skabt ved kemisk modifikation af naturlige baser. I modsætning til naturligt DNA viste kunstigt DNA sig at være ret kort. Den indeholder kun 81 basepar. Men det reproducerer og udvikler sig også.
Replikation af et kunstigt opnået molekyle sker takket være polymerasekædereaktionen, men indtil videre sker dette ikke uafhængigt, men gennem videnskabsmænds indgriben. De tilføjer uafhængigt de nødvendige enzymer til det nævnte DNA og placerer det i et specielt forberedt flydende medium.
Endeligt resultat
Processen og det endelige resultat af DNA-udvikling kan påvirkes af forskellige faktorer, såsom mutationer. Dette gør det nødvendigt at studere prøver af stof, så analyseresultatet er pålideligt og pålideligt. Et eksempel er en faderskabstest. Men vi kan ikke lade være med at glæde os over, at hændelser som mutation er sjældne. Ikke desto mindre bliver prøver af stof altid kontrolleret igen for at opnå mere nøjagtig information baseret på analysen.
Plante-DNA
Takket være højsekventeringsteknologier (HTS) er der sket en revolution inden for genomik – DNA-ekstraktion fra planter er også mulig. Naturligvis giver det nogle vanskeligheder at opnå molekylvægts-DNA af høj kvalitet fra plantemateriale på grund af det store antal kopier af mitokondrier og chloroplast-DNA samt det høje niveau af polysaccharider og phenolforbindelser. For at isolere den struktur, vi overvejer i dette tilfælde, bruges en række forskellige metoder.
Hydrogenbinding i DNA
Hydrogenbindingen i DNA-molekylet er ansvarlig for den elektromagnetiske tiltrækning, der skabes mellem et positivt ladet brintatom, der er knyttet til et elektronegativt atom. Denne dipolinteraktion opfylder ikke kriteriet om en kemisk binding. Men det kan forekomme intermolekylært eller i forskellige dele af molekylet, altså intramolekylært.
Et hydrogenatom binder sig til det elektronegative atom, der er donor af bindingen. Et elektronegativt atom kan være nitrogen, fluor eller oxygen. Den tiltrækker - gennem decentralisering - elektronskyen fra brintkernen til sig selv og gør brintatomet (delvis) positivt ladet. Da størrelsen af H er lille sammenlignet med andre molekyler og atomer, er ladningen også lille.
DNA-afkodning
Inden de dechifrerer et DNA-molekyle, tager videnskabsmænd først et stort antal celler. For det mest nøjagtige og succesrige arbejde er der brug for omkring en million af dem. Resultaterne opnået under undersøgelsen sammenlignes og registreres konstant. I dag er genomafkodning ikke længere en sjældenhed, men en tilgængelig procedure.
Selvfølgelig er dechifrering af genomet af en enkelt celle en upraktisk øvelse. De data, der er opnået under sådanne undersøgelser, er ikke af interesse for videnskabsmænd. Men det er vigtigt at forstå, at alle eksisterende afkodningsmetoder på trods af deres kompleksitet ikke er effektive nok. De vil kun tillade læsning af 40-70% af DNA'et.
Harvard-professorer annoncerede dog for nylig en metode, hvorved 90% af genomet kan dechifreres. Teknikken er baseret på at tilføje primermolekyler til isolerede celler, ved hjælp af hvilke DNA-replikation begynder. Men selv denne metode kan ikke betragtes som vellykket, den skal stadig raffineres, før den åbenlyst kan bruges i videnskaben.